В мире продолжается экстенсивное ведение энергетического хозяйства. Проблема энергосбережения остро стоит во всех без исключения странах мира. Глобализация мировой экономики неуклонно возрастает. Приоритетным направлением становится межгосударственная торговля, а, следовательно, и разделение труда, и связанные с этим возрастающие расходы органического топлива на обеспечение производства в странах с более дешёвой рабочей силой, на продвижения товаров, услуг и рабочей силы на мировой рынок.
В настоящее время ежегодно мир потребляет столько углерода (органического топлива из земли), сколько Природа накапливала его в течение 8 миллионов лет. При этом на $1 инвестиций в новое освоение углеводородного сырья приходится 2-4 м² нарушенных земель, восстановление которых обходится в 2-8 $/м².
Это негативно сказывается на экологической ситуации в целом, особенно в густонаселённых регионах, поскольку «ни один живой вид не может существовать в среде, состоящей из своих отбросов».
Энергетика, базирующаяся на сжигании углеводородного сырья, обеспечивая развитие цивилизации, получает многомиллиардные прибыли за счёт истощения природных запасов и нарушения здоровья населения Земли.
Расширение использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) происходит потому, что в целом общее количество тепловой энергии высокого потенциала на нашей планете, мало. Поверхности Земли и вод в большинстве своём содержат большие запасы низкопотенциальной теплоты с температурой до +30 °С (рис. 1), однако объёмы использования её человеком ограничиваются физическими законами [1].
Рис. 1. Характер распределения тепловой энергии (W) по температурной шкале, где:
І – энергия мирового океана и земной поверхности;
ІІ – область тепловых потерь хозяйственной деятельности человека, а также энергия
низкотемпературных природных источников (солнечной, геотермальной и др.);
ІІІ – область традиционного эффективного преобразования тепловой энергии
в механическую и электрическую энергии
Если рассматривать рисунок 1, ограничиваясь тепловыми процессами, происходящими в техносфере, то переход энергии, полученной из топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), из одной области в другую будет следующим.
Переход энергии из области III в область II совершается, как правило, с выработкой механической и электрической энергий, или выполнением требуемого технологического передела. А из области II в область I – из-за разобщённости производств, использующих тепловую энергию высокого и низкого потенциалов (температур).
Ненадлежащее использование энергии области II, в частности для выработки механической и электрической энергии приводит к необходимости постоянного восполнения области ІІІ энергией, в основном за счёт сжигания топлива. Утвердившийся сегодня рост производства энергии приводит к увеличению областей по вертикали, и картина теплового баланса нестабильна во времени.
Поэтому возобновляемые и вторичные ТЭР (технологии на их базе) должны занять свое место в областях ІІ и І, характеризующие потери. Это могут быть «тепловые отходы – вторичные ТЭР» различных отраслей промышленного производства, а также возобновляемые ТЭР – солнечная и геотермальная энергии, которые используются в недостаточном масштабе.
Для эффективного использования энергии областей ІІ и І, нужны новые технологические подходы, технические идеи и нетрадиционные решения.
В качестве первого шага в этом направлении автором предлагаются новые способы прямого использования энергии области ІІ.
В качестве второго шага предлагается осуществлять преобразование низкотемпературной тепловой энергии областей ІІ и І, посредством термодинамического цикла вначале в энергию потока жидкости, затем в механическую энергию, или сразу в механическую энергию, которую в дальнейшем можно преобразовать в поток хладагента или электроэнергию.
Температурный интервал области ІІ, практически не пригодный для современных водяных паровых турбин, находится в диапазоне +40 °С - +115 °С. А объём энергии этой области в общем тепловом балансе составляет примерно 50-60 % от генерируемой исходной энергии.
При разработке технологий использования энергии областей ІІ и І необходимо принимать во внимание следующие теплотехнические и конструктивные особенности будущих низкотемпературных тепловых машин:
• понижение нижней температурной границы термодинамического цикла обеспечивает рост его КПД значительно больше, чем повышение температуры верхней границы термодинамического цикла, на ту же величину;
• способы преобразования тепловой энергии, «обречённой» реализуемыми сегодня генерирующими технологиями на дальнейшее рассеивание, и соответствующие технические средства должны быть предельно простыми для удешевления 1 кВт∙ч вырабатываемой энергии.
Температурный интервал области І, практически не пригодный для прямого теплоснабжения находится в диапазоне 0 °С - +40 °С. Однако всё тепло этой области можно использовать для организации теплоснабжения тепловым насосом. А низкотемпературное тепло этой области можно использовать для понижения нижней температурной границы термодинамического цикла тепловой машины, в том числе ниже 0 °С.
Исходя из изложенного, необходимо изыскивать дополнительные источники энергии и технологии их преобразования. Сегодня уже очевидно, что масштабную экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) можно обеспечить только за счёт новых технологий и энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В наше время обеспечение надлежащим энергоснабжением даже небольшого города входит в противоречие с жизненно важной потребностью каждого отдельного человека в здоровой (чистой) окружающей среде и в независимости от центральных источников энергии, а это – электричество, тепло и газ, которая вполне реальна, но порой слишком дорога.
Почему важна именно автономность дома, коттеджа или имения, а не поселения или посёлка в целом?
Ответ один. Для поселения надо создать целый комплекс по выработке, аккумулированию и распределению различных видов энергии как в виде гарантированного минимума, так и по потребности, если другие потребители в этот период времени не нуждаются в ней. А у населения различные доходы.
Все эти сложности относятся и к безопасности поселения в целом. Провести электричество, означает вложить существенные средства в ЛЭП, которые по истечении 15-20 лет обветшают и не раз оборвутся во время сильного ветра и гололёда. И, наконец, не всем жителям понадобится централизованная электроэнергия. Найдутся и такие поселенцы, которые захотят, и найдут возможность, после двух-трёх обрывов, обходиться без неё.
При месячном потреблении индивидуального дома 400 кВт∙ч электроэнергии установленная мощность источника должна быть всего 533 Вт. Однако если возьмём новогодние праздники, то на это время максимальная мощность источника электропитания должна быть порядка 4 кВт.
В реальной жизни потребность в таком источнике бывает пять-шесть раз в год – на праздники, в основном, семейные. Однако для их удовлетворения нужен источник мощностью 1,5 кВт, поскольку, когда приходят гости, то никто не пылесосит, не гладит, а тем более не работает электроинструментом. Источники примерно такой мощности и используют владельцы частных домов. Вышеприведённые цифры позволяют говорить о том, что необходим традиционный источник энергии около 0,8 кВт и аккумулятор. Причём, часто можно и дальше уменьшать мощность источника электроэнергии, но необходимо в этом случае увеличивать ёмкость аккумуляторов. Будучи «индивидуальным», этот несложный комплекс может оказаться более безопасным и безотказным, чем накопитель энергии в масштабе посёлка.
Такое компоновочное решение уже применяют многие владельцы домов, где не подведено электричество, – относительно популярное и недорогое для автономного электроснабжения. В качестве источника электроэнергии используется ДВС с электрогенератором. Он работает 3-4 часа в сутки, обеспечивая электроэнергией жилой дом в период наибольшего её потребления и заряжает аккумуляторы. Остальное время домашние электроприборы питаются от аккумуляторов. К этой системе можно подключить и ФЭС, и ВЭС, которые будут заряжать аккумуляторы. Летом солнечные водонагреватели позволят уменьшить потребности в обычном нагревании воды до 70 % и снизить потребление топлива до 30 %.
При производстве электроэнергии от ВИЭ с использованием свинцово-кислотных батарей как аккумуляторов имеются свои «особенности». Батареи хотя и тяжелы, но, как считается некоторыми, недороги – 50 $/кВт∙ч запасённой электроэнергии. Однако такое мнение является спорным.
У каждого из перечисленных выше устройств, конечно, есть свои недостатки. Но вместе они могут удачно дополнить и компенсировать «слабые места» друг друга. Например, в безоблачную погоду скорость ветра не велика. А в пасмурные дни ветер сильный, порывистый, со скоростью не менее 7-8 м/с. Поэтому необходимо все эти источники электроэнергии использовать вместе, тогда повышается надёжность электропитания [2].
Исходя из этого, давно назрела необходимость заняться универсальными технологиями бесперебойного энергоснабжения мелких домохозяйств и наиболее незащищённых в этом вопросе слоёв населения. Тем более что в мире промышленностью используется только около 5 % тепла и до 20 % электроэнергии и поэтому часто концентрация мощных станций на ограниченных территориях не всегда оправдывает себя.
Человечество вышло на ответственный рубеж в своей истории, требующий наряду с изменением демографической ситуации и смены парадигмы экономики – образа её структуры и функционирования. Необходим переход на новую ступень материальной культуры, совместимой с уже оскудевшим природным потенциалом планеты [3].
Если мировым сообществом принято, что нефть – это энергоноситель мирового масштаба (из-за универсальности), газ – регионального, а уголь – местного, то также необходимо подойти к классификации возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
К ВИЭ мирового значения следует отнести солнечную энергию, к ВИЭ регионального значения – ветровую энергию, а геотермальное тепло, энергии морей и океанов – к возобновляемым ТЭР местного значения. И не так уж важно, что технологии преобразования энергии Солнца сегодня находятся в начальной стадии коммерческого использования.
В связи с этим, на сегодняшнем этапе из возобновляемых и вторичных ТЭР автором предлагается использовать солнечную энергию и теплоту, неиспользованную в термодинамических циклах для разнообразного бесперебойного энергообеспечения [4].
Эти технические решения (технологии) призваны стать гарантом экологической и энергетической безопасности и обеспечить выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рис. 2).
Рис. 2. Составные элементы солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда,
предлагаемой для средней полосы России
Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (в соответствии с рисунком 2) технологии использования возобновляемых (солнечной энергии) и вторичных ТЭР, призваны:
• обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
• обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;
• поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объёме за счёт выработки для транспортных средств топлива (биометана).
___________________________
1. Ермолаев П.Н. Новые способы преобразования тепловой энергии в механическую / П. Н. Ермолаев // Энергетик. 1998. № 3. – С. 26-29.
2. Кашелев А.В. Энергообеспечение загородного дома / А. В. Кашелев // Энергия Экономика Техника Экология. 2009. № 9. – С. 75-77.
3. Акимова Т.А. Об экологическом долге поколения / Т. А. Акимова // Энергия Экономика Техника Экология. 2007. № 6. – С. 48-51.
4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г. Б. Осадчий. – Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. – 572 с.
© Г.Б.Осадчий, 2013
Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
начало статьи